【正文】 擬電路實(shí)現(xiàn)的，這種方式不僅電路復(fù)雜，成本高，而且誤差大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好，單片機(jī)及微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有效地解決了這些缺點(diǎn)，特別是傳感器的發(fā)展，更好的提高了檢測(cè)參數(shù)的精度。目前，創(chuàng)新、安全、張勝： 基于單片機(jī)的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 節(jié)能、高效已成為熱水器行業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)國務(wù)院發(fā)展研究中心市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)研究所推出的“中國城市熱水器市場(chǎng)研究咨詢報(bào)告”顯示，未來三年，我國熱水器市場(chǎng)將繼續(xù)保持平穩(wěn)發(fā)展的態(tài)勢(shì)，年增長(zhǎng)保持在 6%左右。該中心預(yù)計(jì)，在城市電網(wǎng)更大范圍改造和城市住房市場(chǎng)大規(guī)模啟動(dòng)的帶動(dòng)下，今后幾年我國電熱水器市場(chǎng)將呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭。隨著現(xiàn)在各種安全技術(shù)在電熱水器設(shè)計(jì)中的普遍應(yīng)用，用電環(huán)境的日益規(guī)范，以及國家對(duì)電熱水器實(shí)行強(qiáng)制認(rèn)證，安全技術(shù)已經(jīng)成為衡量電熱水器的重要標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)如今眾多的控制手段中，要滿足低價(jià)格、高性能、尤其是智能化的要求，采用典型的嵌入式控制系統(tǒng)——單片機(jī)為核心的控制器應(yīng)為首選。采集熱水器儲(chǔ)水箱中水位和水溫信號(hào)，并完成水位和水溫的顯示，以及缺水報(bào)警系統(tǒng)。水位至預(yù)置水位后繼電器關(guān)閉，停止上水；當(dāng)水溫低于設(shè)定最低溫度時(shí)，加熱繼電器工作，當(dāng)溫度加熱高于設(shè)定最高溫度的時(shí)候繼電器停止工作。 水位控制系統(tǒng)該子系統(tǒng)能進(jìn)行水位的控制，利用自制的 3 根導(dǎo)線對(duì)水位的信息進(jìn)行采集，并通過單片機(jī)的 P2 口送入給單片機(jī)處理加工，通過發(fā)光二極管顯示器顯示，共有 3 個(gè)水位擋，沒水或者系統(tǒng)出錯(cuò)后，蜂鳴器都報(bào)警，使系統(tǒng)的水位保持在一定的范圍內(nèi)。 當(dāng)水位未達(dá)到 a 時(shí)，即 ha 時(shí)、這時(shí)傳感器的總阻值 R 為 3R，對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)處于缺水狀態(tài)。 其中，環(huán)形振蕩器產(chǎn)生的方波周期 T（或 f）可通過單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器（T0、T1）來確定，T1 用來計(jì)數(shù)，T0 用來定時(shí)。對(duì)可能用到的 W寄存器和 STATUS 寄存器內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù) 1 然后在中斷服務(wù)程序中對(duì)馬達(dá)，繼電器進(jìn)行控制 1 漏電檢測(cè)報(bào)警在中斷里給出，而每 50ms 進(jìn)入一次中斷，所以發(fā)生漏電時(shí)最多 50ms即可切斷電源 1 入口→中斷保護(hù)→控制馬達(dá)→控制繼電器如果用直流對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，其轉(zhuǎn)速太快，過調(diào)量太大，容易引起震蕩。另一種方法是估算法，只有開關(guān)量時(shí)，所需內(nèi)存總數(shù)=開關(guān)量（輸入/輸出）總數(shù)*10；只有模擬量輸入時(shí)，所需內(nèi)存總數(shù)=模擬量路數(shù)*120。方案三：?jiǎn)纹瑱C(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制能力強(qiáng)、可靠性高、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，并且可以通過按鍵切換檢測(cè)壓力。而且，既然是熱水器的自動(dòng)控制裝置，那么必不可少的就是溫度的檢測(cè)，而其他方案中卻忽略了這點(diǎn)，造成了最大的殘缺。除此之外單片機(jī)的外圍電路也非常的簡(jiǎn)單,系統(tǒng)緊湊,對(duì)于這種小規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng),單片機(jī)具備了最佳的價(jià)格和最簡(jiǎn)單的電路。但 IO 口數(shù)和存儲(chǔ)空間相對(duì)較少，所以此芯片不利于系統(tǒng)的工作和系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。 各部件控制系統(tǒng)方案溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案討論如果采用熱電阻，電路需接 A/D 轉(zhuǎn)換電路，由單片機(jī)換算出實(shí)際溫度，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且也精度不高，DS18B20 可直接與單片機(jī)的 1 位 I/O 相接，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用單片機(jī)的口線資源少，精度高，而且成本低，DS18B20 以其各方面優(yōu)點(diǎn)作為溫度傳感器進(jìn)行張勝： 基于單片機(jī)的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 溫度采樣應(yīng)用于此水溫水位控制系統(tǒng)中實(shí)在是當(dāng)仁不讓。北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本課題是基于 80C51 單片機(jī)的智能電熱水器的控制器的設(shè)計(jì)，要達(dá)到的控制要求有：（1）用 4 位數(shù)碼管顯示水溫，4 位數(shù)碼管顯示預(yù)設(shè)溫度。 （4）電源開啟后，根據(jù)上次設(shè)定的溫度（220V 總電源不能關(guān)閉）自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。 （5）設(shè)置 5 個(gè)面板指示燈。 （6）報(bào)警設(shè)置。漏電報(bào)警：當(dāng)熱水器發(fā)生漏電情況時(shí)，自動(dòng)報(bào)警。（3）水位分檔顯示，分三檔：低，中，高。 為了使設(shè)計(jì)具有高可靠性，與實(shí)際運(yùn)用的緊密結(jié)合性，從經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的角度出發(fā)，我們對(duì)熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中，我們綜合多方面的知識(shí)進(jìn)行分析。 各單元電路設(shè)計(jì) 控制單元設(shè)計(jì) 80C51 芯片有 40 個(gè)引腳，4k bytes flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram） ，32 個(gè)外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中斷，2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2 個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。通過把通用的 8 位 CPU 與可在線下載的 Flash集成在一個(gè)芯片上，80C51 便成為一個(gè)高效的微型計(jì)算機(jī)?？臻e模式下，cpu 暫停工作，而 ram 定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 ram 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。 4k 可反復(fù)擦寫(1000 次）isp flash rom 時(shí)鐘頻率 033mhz 低功耗空閑和省電模式 軟件設(shè)置空閑和省電功能每根線可以單獨(dú)用作輸入或輸出。當(dāng)對(duì)外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P0 可用作多路復(fù)用的低字節(jié)地址/數(shù)據(jù)總線，在該模式，P0 口擁有內(nèi)部上拉電阻。P1 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。對(duì)端口寫“1”時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。④ P3 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口，P3 口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4 個(gè) TTL 輸入。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)期間，P3 口還接收一些控制信號(hào)。在 SFR AUXR（地址 8EH）寄存器中的 DISRTO 位可以用于屏蔽這種功能。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，這條引腳用于輸入編程脈沖 PROG。在單片機(jī)處于外部執(zhí)行方式時(shí)，對(duì) ALE 屏蔽位置“1”并不起作用。在對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的每次存取中，PSEN 的 2 次激活會(huì)被跳過。當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部程序時(shí)，EA 應(yīng)接到 Vcc。復(fù)位電路設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如 ROM、RAM、I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)能恢復(fù)正常運(yùn)行，首先要檢查是否能復(fù)位成功，其中手動(dòng)復(fù)位開關(guān)比較常用，如圖所示：圖 手動(dòng)開關(guān)復(fù)位電路手動(dòng)開關(guān)未按下之前，電容正極處于充電狀態(tài)，當(dāng)按鍵按下去后，VCC 與 GND 導(dǎo)通，電容放電，從而實(shí)現(xiàn)放電。未按下時(shí)對(duì)單片機(jī)輸入一個(gè)高電平，按下后輸入一個(gè)低電平。 顯示單元設(shè)計(jì)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中發(fā)生器。當(dāng)接通電源后，多諧振蕩器起振，輸出 ~ 的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴器發(fā)聲。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)他激蜂鳴器的方式有兩種：一種是 PWM 輸出口直接驅(qū)動(dòng)，另一種是利用I/O 定時(shí)翻轉(zhuǎn)電平產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)波形對(duì)蜂鳴器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。比如為 2500Hz 的蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)，可以知道周期為 400μs ，這樣只需要驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的 I/O 口每 200μs 翻轉(zhuǎn)一次電平就可以產(chǎn)生一個(gè)頻率為 2500Hz，占空比為 1/2duty的方波，再通過三極管放大就可以驅(qū)動(dòng)這個(gè)蜂鳴器了。而無源蜂鳴器沒有內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路。有源蜂鳴器和無源蜂鳴器好像一樣，但仔細(xì)看，兩者的高度略有區(qū)別，兩種蜂鳴器的引腳朝上放置事，可以看出有綠色電路板的一種是無源蜂鳴器，沒有電路板而用黑膠封閉的一種有源蜂鳴器。LED 數(shù)碼管顯示張勝： 基于單片機(jī)的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 數(shù)碼管數(shù)碼管使用條件：a、段及小數(shù)點(diǎn)上加限流電阻b、使用電壓：段：根據(jù)發(fā)光顏色決定；小數(shù)點(diǎn)：根據(jù)發(fā)光顏色決定c、使用電流：靜態(tài)：總電流 80mA（每段 10mA）；動(dòng)態(tài)：平均電流 45mA 峰值電流 100mA上面這個(gè)只是七段數(shù)碼管引腳圖，其中共陽極數(shù)碼管引腳圖和共陰極的是一樣的，4位數(shù)碼管引腳圖數(shù)碼管使用注意事項(xiàng)說明：（1）數(shù)碼管表面不要用手觸摸，不要用手去弄引角；（2）焊接溫度：260 度；焊接時(shí)間：5S （3）表面有保護(hù)膜的產(chǎn)品,可以在使用前撕下來。注意，3 腳和 8 腳是連通的，這兩個(gè)都是公共腳。12986—公共腳A11 B7 C4 D2 E1 F10 G5 DP3北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 L 0 0 1 1 0 0 0 1 3DH 1 1 1 1 0 1 1 1 F7HC 0 0 1 1 1 1 0 0 3CH表 （續(xù)）（2） 、四位數(shù)碼管顯示電路圖 數(shù)碼管顯示電路4 位數(shù)碼管為共陽管，由于單片機(jī)輸出電流比較小，故用 4 個(gè) PNP 型的三極管 9015來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。 圖 DS18B20 （底視圖）表 　DS18B20 詳細(xì)引腳功能描述序號(hào)名稱 引腳功能描述1 GND 地信號(hào)2 DQ 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存ＲＡＭ和一個(gè)非易失性的可電擦除的 EERAM。DS18B20 工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以 16 位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第 2 字節(jié)。表 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表R1 R0 分辨率/位 溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間/ms0 0 9 0 1 10 1 0 11 375溫度 LSB溫度 MSBTH 用戶字節(jié) 1TL 用戶字節(jié) 2配置寄存器保留保留保留CRC北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 1 1 12 750DS18B20 的測(cè)溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器１；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器２的脈沖輸入。其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到溫度寄存器值大致被測(cè)溫度值。采用寄生電源供電方式時(shí) VDD 端接地。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。圖 DS18B20 電路 DS18B20 的 1 腳接地，2 腳數(shù)據(jù)端接單片機(jī)的 ，3 腳接 VCC，為了確保DS18B20 工作可靠，2 腳要接 10K 的上拉電阻。三、 繼電器繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路） ，通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大點(diǎn)流的一種“自動(dòng)開關(guān)” ，故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。繼電器控制電路如圖所示。如果是低電平，則表示閉合。在第一次檢測(cè)到有按鍵被按下時(shí)，執(zhí)行一段 10ms~15ms 的延時(shí)子程序，再確認(rèn)該鍵電平是否仍然為低電平，如果保持為低電平狀態(tài)就說明有鍵按下，從而消除抖動(dòng)的影響。如何疏忽都可能造成整機(jī)工作失常，甚至導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果。 首先對(duì)電源部分進(jìn)行調(diào)試。保證導(dǎo)通與絕緣的電氣特性，電氣連接的通與斷是安裝的核心這里所說的通與斷，不僅是安裝后簡(jiǎn)單的使用萬用表測(cè)試的結(jié)果，而且要考慮在振動(dòng)，長(zhǎng)期工作，濕度等自然條件變化的環(huán)境中，都能保證通者恒通，斷者恒斷。當(dāng)檢查電路和焊接無誤后，就可以將一些比較主要的元器件和主控芯片裝上去進(jìn)行調(diào)試。我們把儲(chǔ)水箱大致分為 3 份，水位由潛入熱水器的儲(chǔ)水箱不同深度的水位電極和潛入儲(chǔ)水箱底部的公共電極（導(dǎo)線）進(jìn)行檢測(cè)；由單片機(jī)依次使各水位電極呈現(xiàn)高電平，由公共電極所接的三極管進(jìn)行電位轉(zhuǎn)換，水位到達(dá)的電極，轉(zhuǎn)換電位為低（0） ；水位沒有到達(dá)的電極，轉(zhuǎn)換電位為高（1） ；每檢測(cè)一位便得到一位數(shù)據(jù)，3 個(gè)電極檢測(cè)一遍以后便得到了 3 個(gè)串行數(shù)據(jù)，然后把這 3 個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字節(jié)一路送發(fā)光二極管；在這里我們可以用發(fā)光二極管亮的盞數(shù)來顯示水位的高低。 溫度檢測(cè) 溫度傳感器檢測(cè)到的水溫，利用數(shù)碼管能正確顯示出當(dāng)前的水溫。用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如 LED/LCD、鍵盤、RS232 終端等動(dòng)態(tài)外設(shè)模型來對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行交互仿真。支持許多通用的微控制器,如PIC，AVR，HC11 以及 8051。IAR CSPY 和 Keil uVision2 等開發(fā)工具的源層調(diào)試。ABS 文件由 OH51 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 HEX 文件，然后將其寫入 CPU 存儲(chǔ)器中。（2）單擊“Project/Target 1”出現(xiàn)對(duì)話框選中“Target”頁面修改單片機(jī)的頻率項(xiàng) Xtal(MHz）為 “Out put”頁面選中“Create HEX”選項(xiàng)。如圖 所示，黃燈亮表示水位到中等，蜂鳴器報(bào)警系統(tǒng)關(guān)閉，繼電器繼續(xù)顯示上水功能。 圖 加熱 圖 停止加熱張勝： 基于單片機(jī)的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 40 總結(jié)此次水溫水位控制系統(tǒng)耗時(shí)近四個(gè)月，先后經(jīng)歷了硬件制作和軟件設(shè)計(jì)，具體是通過每個(gè)板塊的設(shè)計(jì)